1、武汉光电国家实验室（筹）激光测试原理与技术课程报告太赫兹相干层析技术学 号： M201272511 姓 名： 黄亚雄 专 业： 光学工程 指导教师： 齐丽君 2013 年 6 月 8 日太赫兹相干层析技术摘要太赫兹成像技术的研究是目前太赫兹研究领域的热门课题，本论文主要针对太赫兹成像技术进行了系统的介绍与分析。与光学相干层析成像技术相结合，我们提出了一种太赫兹相干层析技术。该技术的纵向分辨率可达 100m 以下，这一实验结果高于太赫兹飞行时间成像技术和合成孔径成像技术。此外，该技术具有系统结构简单、紧凑等特点，在高精度的材料无损探伤领域具有及其巨大的应用前景。关键词：太赫兹成像技术 相干层析成
2、像 材料无损探伤 分辨率引言由于太赫兹对大部分非金属材料和非极性物质具有极强的穿透能力，并且对单光子能量低，不会对生物组织产生有害的电离作用，因此太赫兹技术被广泛的应用于材料无损探测、安检机生物组织病变检测等成像领域。1995 年，Hu 等人首次在太赫兹时域光谱系统中加入一二维扫描的载物台，待测样品被放置在太赫兹聚焦点上，并在与太赫兹垂直方向进行二维扫描，通过记录下每个扫描点透过的太赫兹时域波形，形成样品的太赫兹图像。他们使用这种方法完成了对微电子芯片内部结构的成像。此后，太赫兹成像引起了研究人员的极大关注，并逐渐发展起来了一些新的太赫兹成像技术，主要包括以下几种：(1) 连续太赫兹波二维成像
3、技术(2) 合成孔径成像技术(3) 太赫兹近场成像技术(4) 脉冲太赫兹波飞行时间成像技术(5) 太赫兹波计算机辅助层析成像技术研究一种系统结构及扫描方式简单、成像精度高的太赫兹三维层析成像技术在材料高精度无损探测领域具有及其重要的意义。学相干层析成像技术是基于宽带光源的弱相干特性对待测物体内部结构进行高分辨率层析成像的技术，它依靠光源的时间相干性，对物体进行三维结构重构。太赫兹对非金属材料很强的穿透能力，其穿透深度很高，将太赫兹技术与光学相干层析技术结合起来，我们提出了太赫兹相干层析技术。一 太赫兹相干层析技术相对红外和微波，由于太赫兹波较低的单光子能量和对大部分非金属材料具有较高的穿透性能
4、等特点，近几十年来逐渐引起了人们的研究热潮。自 1995年 Hu 等人 10首次利用太赫兹辐射进行二维成像实验以来，太赫兹成像技术受到世界许多研究人员的关注。2002 年，B. Ferguson 等人将 X 射线波段的层析成像技术移植到太赫兹波段，提出太赫兹三维层析成像的概念 47。该技术原理是一束太赫兹波穿透被成像物体后，然后通过平移和转动，使太赫兹以不同位置和不同角度穿透被成像物体，通过 Radon 变换计算物体吸收率的空间分布，实现对物体三维重构。但是，在某些场合，待成像物体无法绕轴旋转，应用受到极大的限制。2009 年，德国 Synview 公司报道了一种基于连续太赫兹波的三维成像技术
5、。该技术使用一个中心频率为 300GHz 的返波管作为太赫兹源，利用电学调制的方法测量不同反射波到达探测器所需的时间，计算待测物体离探测器的相对距离，实现对待测物体的三维重构。由于所使用的是单频长波长的太赫兹源，考虑到衍射极限的限制，该技术的最佳纵向分辨率为 0.5mm，对于某些需要高精度测量的应用领域是不够的。光学相干层析成像技术（Optical Coherent Tomography, OCT）是一种高分辨率光学无损成像技术，可以无损伤地探测样品结构及成分，可以实现二维或三维成像，在基础与临床医学研究和应用领域有着巨大的应用潜力。从探测深度、分辨率、简单实用等角度综合考虑，光学相干层析术被
6、认为是很有发展前途的一种新型光学成像技术。D. Huang 等人在 1991 年首次提出 OCT 的概念，并成功对人类视网膜和冠状动脉壁进行了活体成像。这一研究使用波长为 830nm 的SLD 光源的光纤迈克尔逊干涉仪，达到精度为 10 微米的纵向分辨率。此后，OCT 技术得到了快速发展，其分辨率和性能有了很大的提高，并同时开发出多种成像模式，如多普勒 OCT、光谱 OCT、差分吸收型 OCT 和偏振敏感 OCT 等。由于具有极高的纵向分辨率，OCT 技术逐渐引起人们极大的研究兴趣。但光学相干层析技术一般采用工作在近红外区波段的发光二极管(SLD)或超快激光作为光源，该波段穿透能力不强，探测深
7、度只有 23 毫米，很大程度上限制了光学相干层析技术的应用。本章基于 OCT 技术，利用太赫兹辐射具有良好穿透能力的特点，提出一种全新的太赫兹相干层析技术(Terahertz Coherent Tomography, TCT)方案。该方案使用中压汞灯作为辐射源，成像系统的纵向分辨率由辐射源的相干长度决定，最小可以达到 100m 以下。该技术具有纵向分辨率高、探测深度深等特点，在高精度的材料三维无损探测和生物组织层析成像等领域具有非常广阔的应用前景。二 相干层析原理相干层析系统由低相干宽频辐射源，迈克尔逊干涉仪以及数据采集处理系统构成。宽频光源辐射出的低相干光经过光分束器（50:50）被分为强度
8、相同的两束，称为参考光和样品光。参考光束经过参考臂，被参考臂上的反射镜反射回分束镜，参考臂是一个精密电控平移台以及固定在上面的反射镜组成的，平移台可以沿光束传播方向一维移动来改变参考臂的长度。样品光经过透镜聚集后入射到待测样品上，散射回来的光再经过透镜收集后入射到分束镜。参考臂反射回来的光从分束镜透射，样品光经过分束镜被反射，这两束光就耦合在一条直线上传播，然后经过抛物面镜聚焦，最后被探测器接收。当参考臂长度与样品臂长度相当时，反射回来的参考光和样品光的光程差相匹配（在干涉系统的相干长度之内）时就会产生干涉。样品光经过样品反射其信号相位与强度被样品调制，包含了样品内部的结构信息，反射信号的强度
9、直接反应了样品的内部不同层的反射率的大小。改变参考臂的长度即调节参考臂反射镜的位置，就可以获得样品不同深度的信息；控制载物台使样品移动，这样光就可以对样品进行横向扫描，获得的一系列干涉信号被探测器接收，经过光电转换，被数据采集系统采集。采集的数据经过计算机进行相关处理并分析，形成不同深度的二维横截面图像，根据信号的强弱可以获得样品的三维灰度图。由于辐射光源是宽频光，其相干长度很短，根据干涉理论只有当样品光与参考光的光程差小于相干长度时，两束光才能发生干涉，因此只有垂直反射的散射光能参与干涉，而其他方向的杂散光以及经过待测样品多次散射回来的光程较长的光被极大的抑制。图 1.1 脉冲太赫兹三维成像
10、技术原理示意图。PCA 表示光电导天线；OAP1 和 OAP2 表示镀金离轴抛物面镜；M1-M4 表示镀金高反镜；HRS 表示高阻硅；TA 是一个太赫兹吸收器；L 表示高密度聚乙烯透镜；载物台由一个镀保护铝的太赫兹反射镜固定在可二维扫描的步进电机上组成；ITO 玻璃起到使泵浦激光与太赫兹共线传播的作用；BD 表示平衡探测器假设光源线型为高斯型，则其光强频谱分布为：2200expIE（1.1）其中， 为光场中心频率的振幅， 光频率， 为中心频率， 为光场振幅频0E0分布的均方差。相干部分的光强可以表示为：22 010121 12expcoszIIztzcc （1.2）式中， 和 分别为参考光和样
11、品光的强度， 为频谱的半高宽度， 和 分1I2 1z2别为参考光和样品光的光程， 为光速。由式(3.3)可见，干涉信号是频率为c的交流信号，强度包络曲线是光程差的高斯函数。当 ，即参考臂与样 12z品臂等光程时，干涉信号强度极强；当二者不等时，干涉信号强度迅速减小。光谱的半高宽度可以表示为(1.3)24ln2l定义半高宽为光源的相干长度，由于光信号是往返的，所以将相干长度除以2，得到相干层析成像技术的纵向分辨率为(1.4)22ln0.4L式中， 和 分别为光源的中心波长和频谱宽度。相干层析成像技术的纵向分辨率受限于光源的相干长度，只有当参考光与样品光的光程差小于相干长度，才有足够强的干涉信号。
12、因此，在相干层析成像技术中，辐射源的选择直接决定了系统的纵向分辨率。系统的横向分辨率由瑞丽判据决定，即艾里斑半径，则横向分辨率为：,1.2xyLNA（1.5）三 太赫兹相干层析实验光路图 1-2 太赫兹相干层析成像技术方案光路图。OAP1 至 OAP5 为镀金的离轴抛物面镜；分束器为在 Mylar薄膜上制作的金属光栅的偏振分光片； Ge 片起到滤波作用。本技术的实验光路如图 2 所示。75W 的汞灯作为辐射源辐射发散的太赫兹波，太赫兹波被两个抛物面镜 0AP1 及 OAP2 准直之后成为平行光，经过孔径光阑约束光源尺寸，然后经过斩波器进行周期调制以方便探测器探测。干涉仪的分光片是一个在 Myl
13、ar 薄膜上制作的金属光栅，它的投射反射比例接近 4:1。参考臂由一个一维电控平移台精确控制，进行一维扫描；样品臂光束经过抛物面镜聚焦后入射到载物台上。载物台为一片镀铝的高反射镜，放置在二维电控平移台上，实现对样品的二维扫描。参考光和样品光经过分光片后，被一个抛物面镜收集，入射到探测器进行探测。需要注意的是，为了便于探测干涉信号，实验中在探测器前放置一 Ge 片，作用是滤除一部分频率，减小光谱宽度，以增加相干长度。实验中所使用的探测器是由俄罗斯 tydex 公司生产的 Golay cell。探测器探测到的信号输入到锁相放大器，经锁相放大处理后被计算机所记录。通过对样品 XY 平面的二维扫描和
14、Z 轴方向的相干层析扫描，经过一定的数据处理后即可对样品的三维图像进行重构。三 系统控制及数据采集分析的软件编译相干层析成像系统的控制及数据采集与分析软件主要起到对三轴电机运动方式的控制，对锁相放大器的数据进行采集以及后期数据的处理、分析及显示等作用。本节基于 Labview 系统编译软件，针对北光世纪生产的 SC103 步进电机控制器和美国斯坦福公司生产的 SR810 锁相放大器，编译完成了相干层析系统的控制及数据采集与分析处理软件。图 1.3 为软件编译的流程图。图 1-3 相干层析系统控制及数据采集于分析处理软件编译流程图Labview 程序通过 visa 端口对步进电机控制器和锁相放大
15、器进行命令的发送和数据的读出等操作。在确定控制程序与步进电机控制器及锁相放大器通信成功后，完成对硬件的初始化工作，为接收运动指令及数据采集指令做好准备。接下来，对参考臂 Z 轴进行连续扫描，同时记录锁相放大器输出的太赫兹功率值，记录并显示出此处的时域干涉信号。将记录的干涉信号保存在一个二维数组中后，以初始设置的像素分辨率移动 X 轴至样品的下一个像素点，再次执行时域干涉信号的测量操作。当 X 轴运动像素点个数达到初始设置值后，以初始设置的 Y 轴分辨率移动 Y 轴至下一个像素点，然后继续执行 Z 轴扫描时域信号及 X 轴的步进扫描操作，直至 X、Y 轴扫描完成初始设置的像素点大小。图 1-4
16、相干层析成像系统控制及数据处理与分析软件前面板。循环次数设置表示对样品某一个像素点的时域干涉信号进行指定次数的测量，最后对测量结果进行求平均值；X/Y 轴扫描精度表示对 X/Y 轴成像分辨率的设置；Z 轴扫描距离表示时域扫描范围；右边二维强度图分别表示测量的样品在 XY 界面和 XZ 界面的显示结果最后，对所得到的数据进行相应的矩阵变换及降噪处理等操作，将结果显示出来，并关闭串口，程序结束。程序的前面板如图 1-4 所示。该软件可以设置X、Y、Z 轴的扫描范围与成像分辨率，同时还可以设置单个像素点的时域扫描次数。需要说明的是，单个像素点的时域波形扫描次数设置越大，干涉波形的信噪比会越高，但是对
17、应的扫描时间也会大大延长。本实验中默认设置为 1 次。四 实验结果和讨论4.1 干涉信号测量结果与讨论相干层析成像的关键是在样品的测量点干涉信号的测量。要提高成像质量，必须尽可能的提高干涉信号的信噪比。提高干涉信号信噪比有两个途径：降低系统测量噪声和提高干涉信号的强度。降低系统信噪比可以通过提高辐射源功率、使用具有高响应率的探测器和多次测量取平均值三种方法实现。实验中所使用的辐射源功率输出固定，无法调谐；所使用的探测器为 Golay 探测器，在现有的太赫兹探测器中响应率相对较高。因此实验中我们采用多次测量取平均值的方法来抑制测量系统的噪声。图 5 所示的是(a)单次测量和(b)20 次测量取平
18、均值的结果。图中可以看出，单次测量的干涉信号噪声较大；由于系统噪声的无规则性，20 次测量取平均值后，干涉信号的噪声被极大的抑制。图 5 （a ）单次测量和（b）20 次测量取平均值的时域干涉图影响干涉信号强度的因素主要有光源尺寸及光谱宽度。光源尺寸可以通过图 3 中光阑的大小来改变，光谱宽度可以通过在探测器前放置适当的滤波材料来实现。图 6 所示的是实验光路中光阑直径大小分别为(a)5mm 和(b)2mm 时，对同一点测量 20 次干涉信号后取平均值的结果。值得注意的是，减小光源尺寸尽管会降低探测器探测到的光强信号，增加系统的探测噪声，实验测得的干涉信号信噪比依然有所提高，说明此时干涉信号的
19、强度有了较大的增加。图 6 光源光斑直径为(a) 5mm 和 (b) 2mm 时的时域干涉图。图中结果均为电机运动速度为 10Hz 时测量的20 次时域干涉图的平均结果。此外，对于具有极宽光谱的辐射源，相干长度非常短，测量干涉信号时对参考臂扫描电机的精度要求较高。由于实验中用到的扫描步进电机精度的限制，我们使用一片厚度为 1mm 的锗(Ge) 片对中压汞灯的输出光谱进行滤波。 Ge 片在 1THz-20THz 频率范围内的透过率谱如图 7 所示。图 7 Ge 片在 1THz-20THz 频率范围内的透过率谱。Ge 片起到带阻滤波器的作用在此频率范围内，Ge 片起到带阻滤波器的作用，减小了探测器
20、接收到的光谱宽度。图 8 现实的是在探测器前(a)未放置与(b)放置 Ge 时测量到的时域干涉信号。对比结果表明，尽管经过 Ge 片滤波后，探测器接收的光强减小，测量到的信号噪声相对无 Ge 片滤波时较大，但是由于相干长度较长，对干涉包络的测量也更加准确。图 8 光源光斑直径为 2mm 时，在探测器前 (a)未放置和(b)放置 Ge 片时 20 测量的时域干涉图取平均值的结果，其中步进电机运动速度设为 10Hz。综上所述，通过多次测量取平均值、使用光阑控制辐射源的有效尺寸和用锗片进行滤波三种方法可以有效的提高干涉信号的信噪比。4.2 成像实验结果及分析优化基于 OCT 技术的太赫兹相干层析成像
21、技术理论上具有高的纵向分辨率，对已有的太赫兹三维成像技术是一个很好的补充。图 9 显示的是利用图 2 所示的太赫兹相干层析成像技术方案测量相同样品的相关成像结果。参考臂扫描距离设置为 1mm，步进电机扫描速度为 10Hz。为了缩短成像时间，在与光束垂直方向，实验仅对样品进行了一维扫描。如图(a)所示，在 Z 方向出现三个干涉信号，分别位于 0.1mm-0.2mm、0.4mm-0.5mm 和 0.6mm-0.7mm 位置。其中0.1mm-0.2mm 之间出现的图 9 太赫兹相干层析技术实验结果图，(a)原始图像；(b)滤波处理后的图像；(c)小波降噪处理后的图像；(d)滤波和小波降噪同时处理后的
22、图像。反射信号为放置样品的镀铝反射镜反射回的太赫兹信号与参考信号相干涉的结果；0.4mm-0.5mm 之间的干涉信号为低阻硅反射回的信号与参考信号相干涉的结果；0.6mm-0.7mm 之间的干涉信号是镀金反射镜样品反射回的信号与参考信号相干涉的结果。由于环境噪声及探测器噪声的影响，图(a)所示的实验结果中干涉信号强度较弱，信噪比较低，需要通过相关的程序对结果进行处理，提高图像的对比度。我们对直接测得的干涉信号分别经过低通滤波、平滑处理和小波降噪后，得到的结果分别如图(b)、(c)和(d)所示。可以看到，经过相关处理后，系统的噪声得到明显的抑制，图像的对比度得到提高。以经过滤波处理后的实验结果为
23、例，在 Z=0.15mm 位置出现一个较明显的干涉峰值，此为载物台反射的信号；在 Z=0.48mm 和 Z=0.68mm 附近出现有两个干涉信号，分别为两个样品的反射信号。测量结果表明，两个样品的厚度分别近似为 300m 和 500m，高度差约为 200m，测量误差小于 100m。相对于 Synview 成像设备和 miniZ的成像结果，我们提出的这一技术方案明显具有更高的纵向分辨率。(a) (b)(c) (d)X (mm)Z (mm)X (mm)Z (mm)X (mm)Z (mm)X (mm)Z (mm)该技术在需要高精度测量的太赫兹无损探测领域具有非常广泛的应用前景，可以作为现有无损探测技
24、术的有力补充。但是，由于样品表面散射回的太赫兹信号强度要明显弱于参考臂金属反射镜反射回的信号，干涉信号的对比度会随着样品臂反射率的较小而急剧降低。如果使用一个连续可调的太赫兹分光片，实现参考臂与样品臂之间的分光比实现连续可调谐，可以有效的提高太赫兹干涉信号对比度。铌酸锂是目前在太赫兹产生及探测领域使用较为广泛的一种铁电材料，石墨烯在太赫兹应用领域的研究也逐渐引起了人们的兴趣，后续的研究可以尝试采用这些晶体。另外，三维扫描需要的时间很长，主要是由于此采样是单点采样，如果采用面阵式采样，则只需要进行深度方向的扫描而不需要对横截面进行扫描，这样就大大减少了成像的时间。再者，空气中的水分对于太赫兹具有较强的吸收作用，可以考虑将系统集成到一个密闭的空间中，将此空间空气抽干做成真空，或者充入氮气，这样可以大大减少噪声提高信噪比。
